Учебное пособие 1503

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный технический университет»

Кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к практическим занятиям по дисциплинам «Проектирование вторичных источников питания РЭС»

и«Источники питания приборов» для студентов направлений

11.03.03«Конструирование и технология электронных средств» и 12.03.01 «Приборостроение» всех форм обучения

Воронеж 2021

УДК 621.311.6(07)

ББК 32.84я7

Составитель

канд. техн. наук А. С. Самодуров

Методические указания к практическим занятиям по дисциплинам «Проектирование вторичных источников питания РЭС» и «Источники питания приборов» для студентов направлений 11.03.03 «Конструирование и технология электронных средств» и 12.03.01 «Приборостроение» всех форм обучения: метод. указания / ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»; сост. А. С. Самодуров. Воронеж: Изд-во ВГТУ, 2021. 29 с.

Методические указания предназначены для развития практических навыков в проектировании импульсных источников питания при разработке приборов. Приводятся краткие теоретические сведения, задания для самостоятельной работы.

Предназначены для студентов четвертого курса. Методические указания подготовлены в электронном

виде и содержатся в файле ИПП_ПР.pdf.

Ил. 4. Библиогр.: 6 назв.

УДК 621.311.6(07)

ББК 32.84я7

Рецензент - В. А. Кондусов, канд. физ.-мат. наук, доц. кафедры радиотехники ВГТУ

Издается по решению peдaкциoннo-издaтeльcкoгo совета Воронежского государственного технического университета

2

ТЕМАТИКА ПРАКТИЧЕСКИХ РАБОТ

На современном рынке импульсных источников питания существует два под кода к проектированию: разработка “в лоб” “с нуля” или на основании спецификаций. Хотя сегодня на рынке имеется много хороших микросхем управления, для многих из которых в спецификациях уже описана процедура проектирования, цель данной книги — дать читателю более глубокое и фундаментальное понимание этой вопроса. Таким образом, представленные ниже примеры проектов содержат схемы управления, требующие для завершения системы питания проведения проектной экспертизы. Эти примеры содержат базовые правила проектирования импульсных источников питания, идущие дальше “простых” методов, описанных некоторыми поставщиками микросхем. Также остается в силе необходимость проектирование магнитных компонентов, компенсации контура обратной связи, а также входных и выходных фильтров.

Следующие примеры, хотя они и скучноваты, помогут хорошо разобраться в процессе проектирования импульсных источников питания с ШИМ.

Встроенный на плату понижающий преобразователь на 10 Вт

Область применения

Этот импульсный источник питания может быть использован для встроенного на плату стабилизатора, в котором линейный стабилизатор выделяет слишком много тепла для того, чтобы плата могла его рассеивать. Предварительный стабилизатор, выполняющий неточную стабилизацию, выдает распределенное напряжение -10 - +18 В. Выходное напряжение встроенного на плату стабилизатора составляет -3,3 В.

3

В этом проекте мы умышленно избегаем применения микросхемы понижающего контроллера с высокой степенью интеграции, поскольку наша цель— продемонстрировать процесс выбора и проектирования элементов, относящихся к импульсным источникам питания. Схема понижающего преобразователя на 10 Вт подставлена на рис. 1.

Рис. 1. Понижающий преобразователь на 10 Вт

Спецификация проекта

Диапазон входного напряжения: +10 - + 14 VDC. Выходное напряжение: +5 VDC. Максимальный выходной ток: 2 А.

Выходное напряжение пульсаций: +30 мВ (полный размах амплитуды).

Стабилизация выхода: ± 1%.

Предпроектные оценки “черного ящика”

Выходная мощность: +5 В • 2 А = 10,0 Вт (максимум). Входная мощность: Pout / Ожидаемый КПД = 10,0 Вт / 0,8 ~ 12,5 Вт.

Потери на ключе: (12,5 - 10) Вт • 0,4 = 1,0 Вт.

Потери на ограничивающем диоде: (12,5 - 10) Вт • 0,6 = 1,5

Вт.

4

Средние значения входных токов

Входной сигнал низкого уровня: 12,5 Вт /10 В = 1,25 А. Входной сигнал высокого уровня: 12,5 Вт / 14 В = 0,9 А. Оценка максимального тока: 1,4 • Iout(rated) =1,4 • 2 A - 2,8 A.

Проектирование индуктора

Наихудшие условия эксплуатации — при высоком входном напряжении.

где Vin(max) — максимально возможное входное напряжение; Vout — выходное напряжение; I out(min) — минимальный ожидаемый ток нагрузки; fsw— рабочая частота.

Индуктором должен быть кольцевой сердечник для поверхностного монтажа на пластиковой монтажной панели с J- образными выводами. Существуют стандартные индукторы для поверхностного монтажа, поставляемые многими компаниями. В данном примере был выбрал индуктор D03340P-104

компании Coilcraft.

Выбор ключа и ограничивающего диода Ключ

В качестве ключа должен выступать мощный полевой МОП-транзистор с каналом p-типа. Максимальное входное напряжение — 18 VDC, следовательно, удовлетворительным будет номинал VDSS от +30 VDC и выше. Максимальный ток составляет 2,8 А. Также желательно обеспечить рассеяние тепла менее 1 Вт, поэтому оценка RDS (при замыкании ключа) должна быть ниже, чем значение

5

PDS(on-max) = PD(est) /IDS(Tpk(est)) 2 = 1 Вт / (2,8 А)2 < 127 мОм

(максимум).

В данном примере был выбран распространенный полевой МОП-транзистор FDS9435 с сопротивлением в проводящем состоянии 45 мОм, в корпусе S08.

Ограничивающий диод

В качестве ограничивающего диода должен использоваться диод Шотки для минимизации потерь на электропроводность и потерь переключений. Подходящее падение прямого напряжения при максимальном токе 3 А характерно для диода MBRD330 с падением 0,45 В (при температуре +25°С).

Выходной конденсатор

Емкость выходного конденсатора вычисляется по следующей формуле:

Сout(min) Iout(max) (1 DCmin ) (2A)(1 5B/14B) 429мкФ .

fswVripple(p p) (100мГц)(30мВ)

Впервую очередь для конденсаторов как входного, так

ивыходного фильтра следует определить пульсирующий ток. В рассматриваемом примере пульсирующий ток идентичен переменному току через индуктор. Максимальные пределы тока через индуктор составляют 2,8 А для Iрeak и около половины максимального выходного тока, или 1,0 А. Таким образом, двойная амплитуда пульсирующего тока составляет 1,8 А, или в оценке RMS — 0,6 А (около трети двойной амплитуды).

Вданном примере должны использоваться танталовые конденсаторы для поверхностного монтажа, поскольку они обычно показывают около 50% ESR электролитических конденсаторов. Кроме того, номиналы выбираемых конденсаторов

6

следует уменьшить на 30% при температуре окружающей сре-

ды +85°С.

Лучшие кандидаты на эту роль — конденсаторы компании AVX, у которых очень низкое значение ESR, и потому они могут справиться с пульсирующим током очень большой силы. Эти конденсаторы необычны и нетипичны, но часть из них может удовлетворить требования, предъявляемые к выходным сигналам.

Конденсаторы компании AVX:

TPSE477M010R0050 —470 мкФ (20%), 10 В, 50 мОм, 1,625Аrms ;

TPSE477M010R0100 — 470 мкФ (20%), 10 В, 100 мОм, 1,149

Аrms.

Конденсаторы компании Nichicon:

F751A477MD — 470 мкФ (20%), 10 В, 120 мОм, 0,920 Аrms .

Существует совсем немного конденсаторов для поверхностного монтажа с требуемой емкостью, номиналом напряжения и низким значением ESR одновременно. Более консервативным решением будет включение двух параллельных конденсаторов с емкостью не ниже, чем половина желаемой величины, каждый. Это позволит использовать намного больше второстепенных конденсаторов и снизить значение ESR. Давайте используем два параллельно включенных танталовых конденсатора с емкостью 330 мкФ и напряжением 10 В.

Конденсатор компании КЕМЕТ:

T510X337M010AS — 330 мкФ (20%), 10 В, 35 мОм, 2,0 Аrms .

Конденсатор компании Nichicon:

F751A337MD — 330 мкФ (20%), 10 В, 150 мОм, 0,8 Аrms .

7

Конденсатор входного фильтра

Этот конденсатор испытывает воздействие той же трапецеидальной волны тока, что и на ключе, — волны с начальной силой тока около 1 А, которая затем повышается до 2,8 А, с очень крутыми фронтами. Условия эксплуатации этого конденсатора намного более суровые, чем у входного. Оценим значение RMS трапецеидальной волны тока как кусочного наложения двух форм волны: прямоугольной с максимальным уровнем 1 А и треугольной с максимальным уровнем 1,8 А. Это дает оценочное значение RMS 1,1 А. Тогда емкость конденсатора можно вычислить по формул

Рассчитанные на большее напряжение конденсаторы имеют меньшую емкость. Это должны быть два параллельно включенных конденсатора емкостью 68 мкФ. Кандидатами на эту роль могут быть следующие конденсаторы.

Конденсатор компании AVX (требуется два 'на сис-

тему):

TPS686M016R0150 — 68 мкФ (20%), 16 В, 150 мОм, 0,894

Атrs,

Конденсатор компании AVX (требуется три на сис-

тему):

TAJ476M016 — 47 мкФ (20%), 16 В, 900 мОм, 0,27 А.

Конденсатор компании Nichicon (требуется три на

систему):

F721C476MD — 47 мкФ (20%), 16 В, 750 мОм, 0,19 А.

8

Выбор микросхемы контроллера

Свойства, которым должна удовлетворять микросхема понижающего контроллера:

способность работать напрямую от входного на-

пряжения;

межимпульсное ограничение перегрузки по току;

драйверы с двухтактным каскадом на полевых МОП-транзисторах.

На рынке имеется много микросхем понижающего контроллера, однако в данном примере мы используем микросхему UC3873. Внутреннее опорное напряжение, подаваемое на усилитель ошибки, составляет 1,5 В ± 2%.

Установка частоты функционирования (СЗ)

По спецификации определяем частоту по формуле:

С1= 1 /(15k /fsw)= 1 /(15k100 кГц) = 666 пФ.

Ближайшее значение составляет 680 пФ.

Резистор считывания тока (R1)

В выбранной микросхеме контроллера используется защита с помощью межимпульсного опроса тока, при которой ключ сразу же размыкается при превышении порога в 0,47 В. Допустим 25% зазор между ожидаемым максимальным током и порогом защитного размыкания. Таким образом, защита будет срабатывать при токе 1,25 • 2,8 А = 3,5 А. Рассчитаем сопротивление резистора R1: R1 =0,47 В /3,5 А = 0,134 Ом.

Ближайшее стандартное резисторов сопротивлением до 1 Ом равно 0,1 Ом.

9

Резисторный делитель напряжения на считывающих резисто-

рах (R3 и R4)

R4 (нижний резистор):R4 = 1,5 В / 1 мА = 1,49 кОм 1%.

Это делает фактический ток считывания равным 1,006 мА.

R3 (верхний резистор):R3 = (5,0 В - 1,5 В) / 1,006 мА = 3,48

кОм 1%.

Компенсация контура обратной связи по напряжению (см. Приложение Б)

Это — прямоходовый преобразователь, работающий в режиме напряжения. Чтобы получить оптимальную продолжительность переходных процессов, воспользуемся двухполюсной компенсацией с двумя «нулями».

Определение характеристики “схема управления выход”

Полюс выходного фильтра определяется по индуктору фильтра и конденсатору и составляет спад -40 дБ/декаду.

Нулевая точка, обусловленная конденсатором выходного фильтра, равна (значение ESR дают два параллельно включенных конденсатора емкостью 120 Ом):

Внутренний абсолютный коэффициент усиления схемы питания при перемен ном токе составляет:

АDС Vin /Verror 14B/3B 4,66 GDC 20Log(ADC ) 13,4дБ

10